Nanocatalyseurs métalliques : ce qui se passe réellement pendant la catalyse
Nouvelles connaissances sur le comportement chimique
En combinant la spectromicroscopie à BESSY II et les analyses microscopiques au NanoLab de DESY, une équipe a acquis de nouvelles connaissances sur le comportement chimique des nanocatalyseurs pendant la catalyse. Les nanoparticules sont constituées d'un noyau de platine et d'une coquille de rhodium. Cette configuration permet de mieux comprendre les changements structurels qui interviennent, par exemple, dans les catalyseurs rhodium-platine destinés à la réduction des émissions. Les résultats montrent que dans des conditions catalytiques typiques, une partie du rhodium de l'enveloppe peut se diffuser à l'intérieur des nanoparticules. Cependant, la majeure partie reste à la surface et s'oxyde. Ce processus dépend fortement de l'orientation de la surface des facettes des nanoparticules.
Cette image prise au microscope électronique à balayage montre des nanoparticules de platine recouvertes de rhodium sur un substrat conducteur. Les facettes cristallines sont clairement visibles dans la forme polyédrique des nanoparticules.
© Arno Jeromin, DESY NanoLab
Les nanoparticules mesurent moins d'un dix millième de millimètre de diamètre et ont une surface énorme par rapport à leur masse. Cela les rend intéressantes en tant que catalyseurs : les nanoparticules métalliques peuvent faciliter les conversions chimiques, que ce soit pour la protection de l'environnement, la synthèse industrielle ou la production de carburants (durables) à partir de CO2 et d'hydrogène.
Noyau de platine avec enveloppe de rhodium
Le platine (Pt) est l'un des catalyseurs métalliques les plus connus. Il est utilisé dans la catalyse hétérogène en phase gazeuse pour le contrôle des émissions, par exemple pour convertir le monoxyde de carbone toxique présent dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion en CO2 non toxique. Le mélange de particules de platine avec l'élément rhodium (Rh) peut encore accroître l'efficacité", explique Jagrati Dwivedi, premier auteur de la publication. L'emplacement des deux éléments joue un rôle important dans ce processus. Les nanoparticules dites "core-shell", composées d'un noyau de platine et d'une coquille de rhodium extrêmement fine, peuvent contribuer à la recherche d'une répartition optimale des éléments, susceptible de prolonger la durée de vie des nanoparticules.
Expériences à BESSY II et au DESY NanoLab
Jusqu'à présent, on savait peu de choses sur la façon dont la composition chimique de la surface d'un catalyseur changeait au cours de son fonctionnement. Une équipe dirigée par le Dr Thomas F. Keller, chef du groupe de microscopie au DESY NanoLab, a maintenant étudié de telles nanoparticules cristallines de Pt-Rh à BESSY II et a acquis de nouvelles connaissances sur les changements au niveau des facettes des nanoparticules polyédriques.
Les nanoparticules ont d'abord été caractérisées et marquées dans leur voisinage à l'aide de la microscopie électronique à balayage et de la microscopie à force atomique au DESY NanoLab. Ces marqueurs ont ensuite été utilisés pour analyser les mêmes nanoparticules par spectroscopie et les imager au microscope simultanément à l'aide de rayons X sur un instrument spécial à BESSY II.
L'instrument SMART de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck permet la microscopie électronique à photo-émission de rayons X (XPEEM) en mode microscope. Il est ainsi possible de distinguer des éléments individuels avec une haute résolution spatiale, ce qui permet d'observer les processus chimiques dans les couches atomiques proches de la surface. L'instrument permet l'analyse chimique d'éléments individuels avec une résolution de 5 à 10 nanomètres, ce qui est unique", explique Thomas Keller. L'étude a montré que le rhodium peut partiellement se diffuser dans les noyaux de platine pendant la catalyse : les deux éléments sont miscibles aux températures de fonctionnement typiques du catalyseur. Le mélange est renforcé dans un environnement réducteur (H2 ) et ralenti dans un environnement oxydant (O2 ) sans inverser le flux net de rhodium dans le platine. À des températures plus élevées, ce processus augmente même de manière significative", explique M. Keller.
Différentes vitesses de réaction
Les vitesses de réaction dépendent également de l'orientation des facettes des nanoparticules. Elles sont particulièrement élevées sur certaines facettes", souligne Jagrati Dwivedi : "Notre étude résolue des facettes montre que l'oxydation du rhodium est la plus élevée sur les facettes comportant de nombreuses étapes atomiques, là où les atomes sont le plus facilement liés". Cette analyse détaillée du comportement d'oxydation contribuera à l'optimisation de ces nanocatalyseurs, qui peuvent subir des changements irréversibles au cours de leur utilisation.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Jagrati Dwivedi, Lydia J. Bachmann, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Heshmat Noei, Liviu C. Tănase, Aarti Tiwari, Lucas de Souza Caldas, Thomas Schmidt, Beatriz Roldan Cuenya, Andreas Stierle, Thomas F. Keller; "Spectro-Microscopy of Individual Pt–Rh Core–Shell Nanoparticles during Competing Oxidation and Alloying"; ACS Nano, Volume 19, 2025-7-30
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